Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1

Вычертите диаграмму состояний сплавов железо-цементит укажите фазы во всех температурно-концентрационных областях, а также структуры сталей и белых чугунов. Кроме того, следует выполнить следующее:

а) построить для стали 55 и чугуна (содержание углерода 4,3%) кривые охлаждения и описать превращения, совершающиеся в них при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры, указать окончательную структуру;

б) выбрать температуру в двухфазной области для заданного сплава и определить содержание углерода в фазах и также их количество;

в) дать определение структурным составляющим, встречающимся в сплавах.

Построим диаграмму состояний Fe-Fe₃С (рисунок 1). Отметим указанный сплав, содержащий 0,55 % С (сталь 55), вертикалью, обозначим на этой вертикали характерные точки:

Рисунок 1. Диаграмма состояния Fe-Fe₃С

1 - находится на линии ликвидус;

2 - на линии солидус;

3 - критическая точка Аc1 (превращение аустенит > феррит);

4 - критическая точка Аc3 (эвтектоидное превращение).

До температуры, обозначенной точкой 1, происходит охлаждение жидкости. При температуре, соответствующей точке 1, из жидкости начинает выделяться вторая фаза - аустенит. Чтобы понять, как это отразится на кривой охлаждения, воспользуемся правилом фаз

С = К - Ф + 1

где С - число факторов, которое можно изменять без изменения числа фаз в системе;

К - число компонентов (2 компонента);

Ф - число фаз.

Для точки 1:

С₁ = 2 - 2 + 1 = 1.

Следовательно, температура может снижаться и при этом, вплоть до точки 2 будут оставаться две фазы. В связи с тем, что при появлении второй фазы будет выделяться скрытая теплота кристаллизации, скорость охлаждения замедляется. Между точками 1 и 2 происходит кристаллизация аустенита.

По достижении сплавом температуры, обозначенной точкой 2, в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃С сплав достигает однофазной области, где правило фаз обычно не используют. При этом происходит охлаждение аустенита.

По достижении температуры, обозначенной точкой 3, из аустенита начинает выделяться феррит, и для построения кривой охлаждения снова воспользуемся правилом фаз:

С₃ = 2 - 2 + 1 = 1.

Следовательно, процесс кристаллизации феррита может осуществляться вплоть до точки 4; на кривой же охлаждения следует отметить замедление охлаждения в связи с выделением скрытой теплоты кристаллизации феррита. По достижении сплавом температуры, соответствующей точке 4, вследствие выделения избыточного цементита аустенит обедняется углеродом до эвтектоидного содержания, и должна пойти эвтектоидная кристаллизация, т.е. аустенит должен превратиться в двухфазную смесь - перлит. Для того чтобы определить, пойдет ли эта реакция при постоянной температуре или в интервале температур, воспользоваться правилами фаз

С₄ = 2 - 3+1 = 0

(во время реакции одновременно сосуществуют три фазы: аустенит и образующиеся из него две фазы - феррит и цементит). Таким образом, процесс вплоть до завершения превращения аустенита в эвтектоид будет происходить без изменения температуры, что выражается горизонтальным отрезком на кривой охлаждения. Ниже точки 4 аустенита больше нет, и поэтому сплав будет находиться в двухфазной области. Тогда

С_ниже4 = 2 - 2+1=1.

Получившаяся кривая охлаждения представлена на рисунке 1. Окончательная структура будет состоять из перлита и феррита.

Выберем температуру в двухфазной области и обозначим ее буквой а. Для определения содержания углерода в фазах и их количества воспользуемся правилом отрезков. Проведем через точку а горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы, в нашем случае - с линиями ликвидус (точка c) и солидус (точка b). По правилу отрезков содержание углерода в аустените определится положением точки b (примерно 0,3 %), а в жидкости - точки с (примерно 1,5 %). Количество аустенита Q_А определится как отношение противоположного к нему отрезка ac ко всему отрезку bc:

Количество жидкости Q_Ж определится отношением отрезка bа к отрезку bс:

В стали 55 встречаются следующие структурные составлявшие:

· аустенит (А) - твердый раствор углерода в г-железе. Максимальное содержание углерода при температуре 1147°С - 2,14 %; при температуре 727°С - 0,8 %;

· перлит (П) - эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется при температуре 727°С;

· феррит (Ф) - твердый раствор углерода в б-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006% при комнатной температуре, максимальную - 0,02 % при температуре 727°С. Углерод располагается в дефектах решетки;

· цементит третичный (Ц) - химическое соединение Fе₃С. Выделяется из феррита.

Отметим второй сплав (рисунок 2), содержащий 4,3 % С, вертикалью, обозначим на этой вертикали характерные точки:

1 - находится на линии ликвидус (совпадает с линией эвтектического превращения);

2 - критическая точка Аc3 (эвтектоидное превращение).

Рисунок 2. Диаграмма состояния Fe-Fe₃С

До температуры, обозначенной точкой 1, происходит охлаждение жидкости. По достижении сплавом температуры, обозначенной точкой 1, в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃С сплав достигает линии эвтектического превращения, при этом одновременно могут существовать три фазы (жидкая, аустенит и цементит). Для того чтобы определить, пойдет ли эта реакция при постоянной температуре или в интервале температур, воспользоваться правилами фаз

С₁ = 2 - 3 + 1 = 0.

Результат свидетельствует о том, что процесс вплоть до завершения превращение будет происходить без изменения температуры, что и должно быть выражено горизонтальным отрезком на кривой охлаждения. Ниже точки сплав представлен двумя фазами: аустенитом и цементитом.

По достижении сплавом температуры, обозначенной точкой 2, в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃С сплав претерпевает эвтектоидное превращение. Для того чтобы определить, пойдет ли эта реакция при постоянной температуре или в интервале температур, воспользоваться правилами фаз

С₃ = 2 - 3+1 = 0

(во время реакции одновременно сосуществуют три фазы: аустенит, феррит и цементит). Ниже точки 3 аустенита больше нет, и поэтому сплав будет находиться в двухфазной области. Тогда

С_ниже2 = 2 - 2+1=1.

Получившаяся кривая охлаждения представлена на рисунке 2. Окончательная структура будет состоять из ледебурита.

Выберем температуру в двухфазной области и обозначим ее буквой а. Проведем через точку а горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы, в нашем случае - с линией химического соединения (цементита) (точка c) и линией переменной ограниченной растворимости углерода в аустените (точка b). По правилу отрезков содержание углерода в аустените определится положением точки b (примерно 1,5 %), а в цементите - точки с (6,67 %). Количество аустенита Q_А определится как отношение противоположного к нему отрезка ac ко всему отрезку bc:

Количество цементита Q_Ц определится отношением отрезка bа к отрезку bс:

В чугуне, содержащем 4,3% углерода, встречаются следующие структурные составлявшие:

· ледебурит (Л) - эвтектическая смесь аустенита и цементита (ниже 727°С - перлита и цементита). Образуется при температуре 1147°С.

Задание 2

Для данной марки стали (У10А), пользуясь диаграммой Fе-F₃С, указать принципы выбора температуры нагрева для полного и неполного отжига, закалки и нормализации. Указать химический состав стали и структуру после предложенных видов термической обработки.

Сталь У10А - углеродистая инструментальная высококачественная. Использование в промышленности: инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, гладкие калибры, топоры. Химический состав стали приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав стали У10А, %

Линии диаграммы железо-цементит, используемые для выбора режимов термической обработки, обозначают следующим образом: линия GS - точка А_с3, линия PSK - точка А_с1, линия ES - точка А_сm. На рисунке 3 изображена стальная часть диаграммы железо-цементит с обозначением температурных интервалов для различных видов термической обработки.

При полном отжиге и нормализации сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т.е. нагревать сталь необходимо выше критической температуры А_с3 на 30…50°С. При неполном отжиге и закалке (доэвтектоидные стали подвергают неполной закалке) сталь нагревают до межкритических температур - между А_с1 и А_с3 (на 30…50°С выше критической точки А_с1). Значение температур критических точек представлено в таблице 2.

сплав сварка цветной металл

Рисунок 3. Температуры нагрева стали при основных видах термообработки

Таблица 2

Температуры критических точек стали У10А, °С

Определяем температуры для различных видов термообработки заданной стали: для полного отжига и нормализации - 830…850°С, для неполного отжига и закалки - 760…780°С.

Неполный отжиг - основной способ получения структуры зернистого перлита. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру несколько раз изменяют вблизи линии PSK, то перегревая выше нее на 30…50°С, то охлаждая ниже на 30…50°С) или путем длительной выдержки (5…6 часов) при температуре несколько выше линии PSK и последующего медленного охлаждения. После такого отжига цементит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобретает зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочностью по сравнению с пластинчатым перлитом.

Полный отжиг - нагрев стали выше температуры фазовых превращений выдержка при этой температуре до полного прогрева металла и завершения структурно-фазовых превращений и медленное охлаждение в камере выключенной печи. Заэвтектоидные стали подвергают неполному отжигу, так как полный отжиг приводит к появлению цементитной сетки по границам зерен пластинчатого перлита, что приводит к резкому снижению пластичности стали.

Нормализация - нагрев стали до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе. В результате нормализации получают тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру.

Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле. Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами. Температура закалки заданной стали должна быть такой, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру и сохранила мелкое зерно. После закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и некоторое количество остаточного аустенита.

Задание 3

Выберите оборудование и опишите технологический процесс контактной роликовой сварки листа 1500Ч1000Ч1,0 мм. Как осуществляется подготовка поверхности к сварке? Ответ проиллюстрируйте схемами.

Роликовая контактная сварка применяется в тех случаях, когда необходимо получить не только прочное, но и плотное соединение деталей между собой. Роликовая сварка - это вид сваривания, при котором конструкции объединяются швом, полученным в результате подведения тока к крутящимся дисковым электродам и применения силы сжатия. Шов состоит из ряда точек сваривания. При роликовой сварке отдельные точки частично перекрывают друг друга, образуя непрерывный шов свариваемых деталей (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема роликовой сварки.

Подготовленные полосы с толщиной до 4 мм пропускают между вращающимися роликами-электродами машины, через которые проходит электрический ток. В результате образуется плотный герметичный шов.

Специальная техника для роликового сваривания практически полностью автоматизирована. Машины для двустороннего сваривания бывают однороликовые, двуроликовые и многороликовые. Каждый станок шовной сварки имеет предназначенные для него электроды специальной формы.

Чтобы соединить изделия при помощи шовного сваривания, необходимо протянуть их между роликами. По ходу работы необходимо отслеживать время воздействия электрического тока, которое периодически повторяется. Такой цикл позволяет создавать ряд точек сваривания, которые вместе образуют шов.

Машина шовной сварки состоит из следующих элементов, таких как:

· станина;

· устройство сжатия;

· электроды;

· устройство для вращения роликов;

· сварочный трансформатор.

Конструкция станины предусматривает ровное положение машины, а также предотвращает вибрацию. Устройство сжатия может быть педальным, пневматическим или электрическим. Главная задача такого механизма - надежность сжатия деталей. Электроды имеют форму роликов со специальными креплениями. Устройство для вращения роликов в основном представляет собой вал, на котором они крепятся. Сварочный трансформатор содержит механизм включения.

Роликовую сварку выполняют непрерывной, прерывистой и шаговой. При непрерывной сварке детали перемещаются непрерывно, причем все время к электродам поступает ток. Поверхность свариваемых деталей сильно перегревается, электроды быстро изнашиваются, что ухудшает качество сварки.

При прерывистой сварке детали перемещаются непрерывно, а ток к электродам поступает периодически.

При шаговой сварке в момент включения тока детали неподвижны, после кристаллизации сваренного участка металла происходит перемещение деталей на определенный шаг.

Низкоуглеродистую сталь сваривают роликами с контактной поверхностью около 1 см. Сила сжатия должна быть около 8,4 кН, время импульса до 0,12 с, а перерывы составляют до 0,1 сек. Скорость примерно равна 1,6 м/мин. При соединении деталей из нержавеющей стали все параметры уменьшают на 40%.

При подготовке поверхностей к сварке должны выполняться три основных требования: в контактах электрод-деталь должно быть обеспечено как можно меньшее электрическое сопротивление; в контакте деталь-деталь сопротивление должно быть одинаковым по всей площади контакта. Сопрягаемые поверхности деталей должны быть ровными, плоскости их стыка при сварке должны совпадать.

Выбор конкретного способа подготовки поверхностей определяется материалом деталей, исходным состоянием их поверхностей, характером производства. Для штучного и мелкосерийного производства необходимо предусмотреть операции правки, рихтовки, обезжиривания, травления или зачистки, механической обработки. В условиях крупносерийного и массового производства, где обеспечивается высокое качество исходных материалов в заготовительном производстве, подготовку поверхностей перед сваркой можно не делать (кроме деталей из алюминиевых сплавов).

Критерием качества подготовки поверхности является величина контактных сопротивлений. Для их измерения детали зажимают между электродами сварочной машины, но сварочный ток не включают. Сопротивление измеряют микроомметром при помощи щупов. Для сталей сопротивление более 200 мкОм свидетельствует о плохом качестве поверхности. Высокое контактное напряжение приводит к перегреву электродов и подплавлению поверхности деталей, вследствие чего происходит наружный и внутренний выплеск металла и образуется чрезмерная вмятина под электродами.

Задание 4

Дайте характеристику цветных металлов и сплавов (Д1, ЛЦ38Мц2С2). Расшифруйте маркировку: приведите состав, свойства. Если подвергаются термической обработке, то укажите режимы. Какими способами получают заготовки из каждого металла или сплава? Какова их структура? Приведите примеры применения.

Д1 - алюминиевый деформируемый сплав. Буквой Д обозначается дюралюминий, цифрой после буквы - процент чистоты сплава, кроме этого комплекс показателей свойств растет с увеличением номера сплава. Использование в промышленности: для лопастей винтов, узлов креплений, строительных конструкций и т.д. Химический состав сплава приведен в таблице 3, механические свойства - в таблице 4.

Таблица 3

Химический состав сплава Д1, %

Таблица 4

Механические свойства сплава Д1

Термическая обработка дюралюминия состоит из закалки при температуре 490…510°С с охлаждением в воде, после чего сплав подвергают старению, что обеспечивает получение высоких прочности и твёрдости. Старение может быть естественное (при комнатной температуре в течение 5…7 суток) или искусственное (t=150…180°С в течение 2…4 часов).

Упрочнение дуралюмина Д1 при термической обработке достигается в результате образования атомных скоплений (зон Гинье-Престона) сложного состава или упрочняющих фаз, в состав которых входят Cu и Mg. Именно поэтому медь и магний в дуралюминах является главными легирующими компонентами, определяющими природу сплава. В упрочнении сплавов зоны Гинье-Престона играют решающую роль: чем устойчивее зоны, тем стабильнее свойства сплава.

Деформируемые алюминиевые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением - прокатке, прессованию, ковке или штамповке, волочению.

ЛЦ38Мц2С2 - латунь литейная. Использование в промышленности: для изготовления конструкционных деталей и аппаратуры для судов; антифрикционных деталей несложной конфигурации (втулки, вкладыши, ползуны). Химический состав сплава приведен в таблице 5.

Таблица 5

Химический состав сплава ЛЦ38Мц2С2, %

Термическая обработка латуни заключается только в отжиге. При обработке давлением или выколачивании деталей, изготовленных из латуни, желательно повысить ее пластичность. Для этого латунь нагревают до температуры немного более 500°С и дают остыть на воздухе. После отжига латунь становится мягкой и легко гнется и выколачивается. При дальнейшей обработке давлением, прокатыванием и выколачиванием латунь снова нагартовывается и становится жесткой. В этом случае производят повторный отжиг. При глубоких вытяжках, чтобы избежать образования трещин, латунь приходится отжигать несколько раз.

Поскольку данная латунь содержит менее 39% цинка, структура сплав однофазная. Микроструктура литой латуни состоит из светлых зерен б-фазы.

Механические свойства и способы изготовления заготовок приведены в таблице 6.

Таблица 6

Механические свойства сплава ЛЦ38Мц2С2 в зависимости от способа производства заготовок

Список использованных источников

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

2. Никифоров В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов / В.М. Никифоров - СПб.: Политехника, 2000 - 382 с.

3. Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина - М.: Машиностроение, 1976. - 436 с.

4. Арзамасов Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макаров, Г.Г. Мухин - 8-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 648 с.

5. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский - 5-е изд. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.

6. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - 10-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 288 с.

7. Контактная сварка [электронный ресурс] - URL: http://www.rudetrans.ru/o-svarke/kontaktnaya_svarka/.

8. Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов - М.: АГАР, 1999. - 182 с.

9. Солнцев Ю.П. Материаловедение / Ю.П. Солнцев, С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин. - 8-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru